Anlisis de ruido elctrico en el LaboratorioLina SARRIA (2100357)(1), Katherine MAZO(1) (2120192), Julia Nelson GORDON(1) (2101116), Roberto Carlos TIERNO (2140491)(1)(1) Universidad Autnoma de Occidente. Facultad de Ingeniera, Depto. de Automtica y Electrnica, Ctedra de Bioinstrumentacin I.RESUMEN: En el trabajo diario en el laboratorio de cualquier especialidad, debemos centrarnos en la adquisicin de datos sumamente especficos de magnitudes de inters, pero esta medicin de magnitudes se ve indefectiblemente afectada por otras variables que sin ser de nuestro inters influyen sustancialmente en los resultados que s nos interesan. Por ello, indagaremos en qu es el ruido elctrico, cmo se mide, cmo puede representarse y cmo afecta las mediciones que s nos interesan, realizando una evaluacin estadstica prctica en uno de los Laboratorios de la Universidad Autnoma de Occidente.PALABRAS CLAVES: ruido, repetibilidad, incertidumbre, medicin, metrologa, varianza, mapa de ruido. Bioinstrumentacin IAnlisis de ruido elctrico en el laboratorioUniversidad Autnoma de Occidente

91. INTRODUCCINTodas las mediciones que pueden realizarse en un laboratorio, de cualquier especialidad de la que se trate, se ven afectadas por impurezas o magnitudes no deseadas que influyen sistemticamente en el resultado de las mediciones haciendo que las mismas se vuelvan poco confiables y por ende sin ningn utilidad cientfica ya que pierden todo tipo de objetividad.En el mbito de un laboratorio de Qumica, o en el de las ciencias forenses, cuando se desea realizar un proceso de obtencin de ADN para determinar una secuencia caracterstica determinada, esa muestra debe manipularse de acuerdo a ciertos protocolos exigidos en la normatividad nacional e internacional generada por los institutos de normalizacin de cada lugar. En caso de no hacerse eso en forma estricta, y si la muestra llega a contaminarse, podra condenarse por homicidio al detective investigador del caso u otorgarle la paternidad de una criatura al laboratorista que olvid utilizar guantes. Tal es la importancia de la objetividad que se requiere al realizar una medicin en un laboratorio y para ellos se van mejorando da a da los protocolos y normas de calidad que aseguran una correcta obtencin de las mediciones. En cualquier laboratorio de metrologa electrnica, o donde sta sea parte de las actividades que all se desarrollan, puede verse que las muestras que all se recogen, son indefectiblemente contaminadas por lo que all sucede. El ruido elctrico est presente en todo momento y en todo lugar, propagndose en forma de campos elctricos, magnticos, vibraciones fsicas y dems magnitudes imaginables.Por eso para comenzar debemos determinar qu es el ruido, cmo se puede llegar a medir, qu factores afectan su magnitud y sobre todo cmo puede evitarse.1.1. DEFINICIONES- Ruido: El ruido por definicin es cualquier perturbacin aleatoria de una magnitud fsica de una seal. La seal, por su parte es una perturbacin con sentido de informacin, que se produce en un medio de transmisin. Esto es, para que una seal se propague, requiere de un medio a travs del cual hacerlo y una vez que llega la informacin en forma de mensaje debera poder recuperarse el mismo tal como fue enviado. El ruido elctrico puede ser una perturbacin permanente, temporal o aleatoria por naturaleza.El ruido elctrico que afecta a un organismo vivo no es la excepcin y es el resultado de una cantidad mayor o menor de seales elctricas aleatorias que se acoplan en circuitos en los que no se desea su presencia, por ejemplo, donde pudieran interrumpir seales de con informacin til. En muchas situaciones, la seal registrada esta interferida o modificada por diferentes tipos de ruido e interferencias, algunas veces con origen en otro proceso fisiolgico del cuerpo humano. Por ello es crucial la reduccin del ruido en el procesamiento de seales biomdicas con el objetivo de obtener la seal de inters pero teniendo en cuenta que el ruido nunca podr eliminarse completamente.Para poder calcular la cantidad de ruido que se halla presente en una seal, existe el parmetro llamado relacin seal/ruido. Este parmetro es muy til para determinar los niveles de ruido y poder determinar consecuentemente la validez de una medicin o del funcionamiento de un circuito.El ruido elctrico puede ser debido a diversas fuentes de procedencia muy diversa que se deben tener en cuenta a la hora de evitarlo. Estas fuentes de ruido se clasifican en tres categoras: Ruido intrnseco: Fuentes de ruido originadas por fluctuaciones aleatorias en sistemas fsicos. Por ejemplo el ruido trmico de los componentes. Sistemas elctricos fabricados por el hombre: Por ejemplo: motores, interruptores, ordenadores, etc... Perturbaciones producidas por agentes naturales: Rayos, tormentas solares y descargas electrostticas.Acoplamiento: la pregunta que surge inmediatamente es: cmo se puede estar afectado por estas cuestiones si estoy en un laboratorio en un segundo subsuelo? La respuesta es inmediata: no hay manera de evitar el ruido y si bien evolucionamos en un ambiente hostil en este aspecto y no nos genera mayor dao en la vida diaria, tambin es cierto que no puede evitarse e indefectiblemente hay que acostumbrarse a evitarlo lo ms posible cuando se est trabajando en la obtencin de seales de un ser vivo. Hay tres modos de estar afectados por el ruido, clasificados de acuerdo al modo de acoplamiento con la seal interferente:- Acoplamiento Capacitivo: se produce por las diferencias de potencial entre dos partes conductivas separadas por un material dielctrico. El dielctrico es cualquier material aislante que tiene la propiedad de poder ordenar sus cargas elctricas. En el caso ms conocido, el aire es el dielctrico por excelencia. Bsicamente el campo actuante es un campo elctrico.- Acoplamiento Inductivo: En el acoplamiento inductivo, no hay dielctrico, o al menos no importa ya que el campo interferente se presenta en forma de lneas de flujo magntico que se dispersan por el aire. Es el principio de funcionamiento de una multiplicidad de elementos de la vida diaria (motores elctricos entre ellos), pero es causa del malfuncionamiento de muchas de las mediciones realizadas en el laboratorio.- Acoplamiento resistivo: se produce cuando el sujeto sobre el que se est realizando la medicin entra en contacto directo con la fuente de ruido primaria o la que se ve afectada por alguno de los medios anteriores. As, cambian los efectos inductivos y capacitivos y predomina el comportamiento resistivo, de flujo de electrones en forma directa, sin fenmenos electrostticos ni electromagnticos. Cualquier sujeto al que se estn realizando mediciones de algn tipo debe estar apoyado en algn lugar y por ms que se desee una aislacin perfecta, resulta impracticable.En resumen, todo el espectro electromagntico puede afectar bajo ciertas condiciones las seales elctricas medidas bien sea en forma directa o indirecta.-Incertidumbre: Cuando se mide un tomacorrientes comn y corriente, vemos que existe una cierta variacin respecto del valor que esperamos medir. En teora buscamos que el voltmetro nos indique 110V, pero la realidad indica que rara vez encontraremos esta lectura, la que por lo general oscila cercana a ese valor, pero que por distintas cuestiones nunca coincide. Por ello, se hace necesaria una indicacin cuantitativa de la calidad del resultado, para que puedan ser comparadas entre ellas mismas y valores de referencia dados en una especificacin o norma, esto se realiza con un procedimiento fcil de usar y aceptado de manera general para caracterizar la calidad del resultado de una medicin: la incertidumbre.La incertidumbre segn la norma GTC 51, es una duda o variacin permitida de la medida respecto de lo que realmente est expresando el mesurando ya que cuando todas las componentes, conocidas o supuestas del error han sido evaluadas y se han aplicado las correcciones apropiadas, an persiste una incertidumbre acerca del estado de correccin del resultado expresado y que, como dijimos, hay muchos factores que puede alterar la seal verdadera.Esta magnitud, se clasifica de acuerdo al origen de la misma en dos grandes grupos: la incertidumbre de la medicin en s y la incertidumbre del instrumento utilizado para realizar la medicin. Por simplicidad se llaman incertidumbre A (A) y B (B) respectivamente segn se obtengan por mtodos estadsticos o por otros mtodos.La incertidumbre tipo A se utiliza cuando se ha realiza un nmero n de observaciones independientes de una de las magnitudes de entrada (en nuestro caso el ruido del laboratorio), bajo las mismas condiciones de medida. Cuando una medida se repite bajo un estndar de condiciones (sobre todo de repetibilidad) puede observarse una dispersin de medidas respecto del valor promedio.El mtodo de obtencin para la incertidumbre tipo A consta de una seria de n medidas >1 efectuadas bajo condiciones de repetibilidad, el valor estimado, del valor verdadero de una magnitud seria la media aritmtica la cual su frmula es:

Y la varianza experimental de las observaciones representa la dispersin de los resultados de medicin la cual se determina mediante la siguiente ecuacin:

La desviacin estndar experimental del promedio es la estadstica utilizada para la cuantificacin de la incertidumbre estndar de la medicin, esta desviacin estndar del promedio es la raz cuadrada positiva de la varianza del promedio la cual es:

Cuando se cuenta con un nmero de datos pequeos es decir que n 10 se puede considerar como algo negativo ya que por lo general, cuando se incrementa la cantidad de muestras n, la incertidumbre se reduce y la distribucin sera de forma normal, que es lo que a nosotros nos interesa para reducir errores en la medicin. En este caso y por tratarse de una seal aleatoria debera considerarse el efecto de la siguiente forma:

Donde tp se obtiene a partir de la distribucin t-Student para el nmero de grados de libertad, estos grados de libertad siempre deben estar disponibles cuando se documentan las evaluaciones de los componentes de incertidumbre tipo A.En nuestro caso, los grados de libertad estn determinados por n-1 ya que si tenemos una muestra de 4 elementos y la media muestral es 0,33, slo 3 de las variables de la muestra pueden variar libremente puesto que la cuarta variable queda determinada por las otras tres.Finalmente, para determinar la incertidumbre tipo B que corresponde a la incertidumbre del equipo, es necesario saber las especificaciones del equipo de medicin, en las cuales se encuentra la resolucin y tambin se puede obtener la clase de exactitud , la incertidumbre tipo B por lo tanto se obtiene a partir de:

En donde B1 se obtiene a partir de la clase de exactitud con la que se est trabajando, esta especificacin se extrae del rango de medida que se est observando ya que la exactitud con la que est trabajando un equipo puede variar de acuerdo con su rango de operacin. Por otro lado la resolucin del equipo corresponde a B2. Tener en cuenta que la incertidumbre tipo B nunca puede ser cero ya que todo equipo de medicin tiene un rango inexactitud propio de las tolerancias y fluctuaciones de los componentes que lo conforman. [1]Son muchas las variables que afectan a este tipo de incertidumbre, por lo que cada fabricante pone a disposicin de los usuarios una serie de consideraciones respecto a la determinacin de la exactitud del instrumento en condiciones ceteris paribus. Esto implica que el fabricante asegura esos valores por un perodo determinado de tiempo y realizando la medicin modificando una sola variable por vez y dejando las dems lo ms estable posible.As en el caso del fabricante del multmetro utilizado para medir el ruido, nos advierte en el manual que en este caso, los valores representados y garantizados por l son medidos un ao despus de la calibracin, con una temperatura ambiente de entre 18C a 28 y una humedad relativa ambiente de hasta 90%. Adems hay que tener en cuenta que la exactitud del instrumento es funcin de la escala con la que se est trabajando y en base a ellos se obtiene una tabla que indica la incertidumbre de tipo B.- Repetibilidad: Cualquiera tiene una idea de lo que significa el concepto de repetibilidad, pero cuando se habla de una variable tan difcil de manejar y tan fluctuante como el ruido elctrico, conviene referirse a las definiciones acadmicas y normativas.Segn la pgina oficial del SENA (www.sena.gov.co), la repetibilidad de un instrumento de medicin se refiere a la aptitud de un instrumento de medicin para proporcionar indicaciones prximas entre s para aplicaciones repetidas del misma mensurando bajo las mismas condiciones de medicin.Ahora hace un especial nfasis en lo que son dichas condiciones: reduccin a un mnimo de las variaciones debidas al observador. el propio procedimiento de medicin. el propio observador. el mismo equipo de medicin, utilizado en las mismas condiciones. el mismo lugar. repeticin en un perodo corto de tiempo.En realidad se est intentando medir una seal por definicin aleatoria sin saber cules son algunos de sus parmetros de mayor importancia taels como la banda de frecuencia sobre la que se realizaba la medicin. 2. METODO EXPERIMENTALPara poder establecer una medicin adecuada del ruido, en primera instancia tomar las medidas generales del mbito del laboratorio y debimos previamente ubicar las posibles fuentes de ruido elctrico. As podramos determinar que componentes originaran valores espurios en las mediciones an sin saber cul era su magnitud. As se identificaron en el laboratorio varias fuentes de ruido, primeramente por parte del sistema de iluminacin (que tiene componentes internos que a diferencia de las lmparas incandescentes) generan un nivel de ruido mucho mayor por sus reactancias internas. Luego se tuvo en consideracin un computador de escritorio que estaba encendido, dos neveras que estaban en funcionamiento en un lateral del laboratorio y una incubadora ubicada en el fondo del laboratorio. Luego se observ la presencia de varias centrfugas, baos serolgicos y autoclaves y se consider que por estar apagadas no generaran mayor inconveniente en las mediciones.Luego, hubo que tener en cuenta en qu posicin exacta se debera medir los niveles de tensin de ruido. Como cada una de las personas que iban a realizar la medicin era de una estatura y contextura diferente, se observ que en el mismo punto, el mejor resultado se obtendra con el sujeto de medicin sentado en la misma banqueta, con los pies apoyados en el apoyapis, mirando hacia el mesn y con las puntas de prueba a la altura del pecho mientras que la otra punta de prueba debera apoyarse firmemente contra el mesn sin tocarlo con la mano ni con su cuerpo. Era destacable la fluctuacin de las mediciones sobre todo cuando el sujeto de prueba se apoyaba en el mesn aun con una parte del cuerpo cubierta por ropa, por lo que se decidi crear este protocolo ad hoc para poder realizar mediciones comparables.Finalmente se acord, que en virtud de las fluctuaciones de las magnitudes a medir (las variaciones en cada punto eran a veces de hasta el 200% y variaban con mucha velocidad), bastaba con utilizar dos decimales para describir el nivel de ruido de cada punto.Asimismo, se solicit a otro grupo que se hallaba trabajando en el lugar que por favor no movieran de lugar ni sus celulares ni sus computadores porttiles, para asegurar el mnimo error posible en las mediciones.En cada punto marcado se tomaron 4 diferentes muestras, una por cada integrante del grupo. La toma de nuestra consista en medir el diferencial de tensin que se encontraba entre la mesa y el punto de referencia que en este caso era la persona que estaba tomando el dato, este se meda colocando la punta roja sobre el punto en cuestin marcado en la mesa y la punta negra del multmetro. Luego de esto se procedi a registrar los datos en Excel para realizar el debido anlisis de los datos obtenidos. Con los datos obtenidos, se procedi a visualizar de forma grfica cul era la distribucin de tensiones en funcin de la cantidad de veces que se haba obtenido cada valor.As se obtuvo el grfico de la Fig. 1.que mostr que en varios lugares se obtuvieron tensiones relativamente bajas y medias de nivel de ruido mientras que fueron ms raras las mediciones de valores extremadamente altos de ruido producto, por lo general de la cercana a alguna fuente del mismo. Promedio=0,26

Fig. 1: Distribucin del ruido en funcin de la frecuencia de cada nivel.El concepto de frecuencia utilizado est referido a su acepcin probabilstica y nada tiene que ver con su acepcin electrnica. Con los datos mencionados se obtuvo un ruido medio de 0,26 V., mientras que los valores mximos y mnimos se establecieron en 0,69 V y 0,03 V respectivamente. En comparacin con otros grupos, se obtuvieron valores relativamente bajos y mucho ms uniformes.

Luego, para tener una idea de cunto variaban los valores respecto del promedio de cada punto, se estim la S2 por cada punto y la S2 para todo el laboratorio. En el primer caso se obtuvo una varianza mnima de 0,035585 V2 y una varianza mxima de 0,0000026 V2.

En cambio para el laboratorio en general, se decidi realizar a modo de prueba la estadstica para ver cmo variaban los valores respecto de la varianza puntual pero teniendo en cuenta que el nivel de ruido de cada punto era el resultado de un anlisis propio de cada espacio en un tiempo determinado y que obviamente aquellos valores que estuvieran muy cerca (muy lejos) de una fuente de ruido iban a variar mucho ms porque se haba forzado un valor medio de ruido que no tiene un valor estadstico para calcular la incertidumbre de la medicin. No haba valor esperado de ruido y era ilgico considerar un ruido medio en un ambiente con un ruido no uniforme. Se obtuvo una varianza mxima de 0,147232 y una mnima de 0,000099. Aun as, la incertidumbre se calcul con los valores de cada punto.

Finalmente se obtuvo la desviacin estndar de la muestra, con valores mximo y mnimo de 0,020545 V2 y 0,000001V2 respectivamente.

Con los valores mencionados y a travs de la distibucin t-Student se obtuvo una incertidumbre de tipo A mxima (A) de 0,048V (con un margen de confianza de 95% y 3 grados de libertad) cifra bastante considerable en virtud de la aleatoriedad del tipo de variable que se estaba midiendo y de la forma en que se estaba haciendo la prctica.

Finalmente, habiendo obtenido la incertidumbre de tipo A, se debi consultar el manual del fabricante del multmetro Fluke 179 y en el mismo, se establecen diferentes incertidumbres de acuerdo a la frecuencia a la que se trabaje y de acuerdo a la escala en que se mida.

Se decide trabajar con la escala automtica por lo que se obtuvieron valores con la escala de 500mV y con la de 3000 mV. De las incertidumbres establecidas por el fabricante para cada escala utilizada se tom la mayor de ellas (0,4%+40) para seales de baja frecuencia.

Habiendo obtenido la incertidumbre tipo A y la incertidumbre tipo B, se hall la incertidumbre acumulada.

Segn los datos obtenidos, la mayora de las mediciones arrojaban una incertidumbre muy cercana a los 0,1 V, por lo que se decide establecer la incertidumbre en 0,1V.

Por lo tanto cada uno de los puntos medidos de ruido del laboratorio deberan expresarse como

valor 0,1 V. (con k=3)

Los registros de cada uno de los puntos fueron trasladados a un mapa de ruido que se analiz en primera instancia mediante Excel con su herramienta formato condicional que se adjunta en el Anexo 1 y luego se proces mediante MatLab.

Para ello, se tomaron todas las medidas del laboratorio: largo, ancho, dimensin de los mesones, distancia entre mesas, ubicacin de posibles fuentes de ruido, etc. Mediante esos datos pudo establecerse un eje de coordenadas de referencia, considerando el origen en el extremo ms alejado del ingreso al laboratorio.

Con esos datos se tomaron los valores de ruido en los mesones cada 25 cms., por lo que el mapa quedo establecido a una resolucin de 0,25x0,25 mts.

Habiendo determinado previamente las posibles fuentes de ruido elctrico, se procedi a tomar mediciones en aquellos lugares donde el ruido sera evidentemente mayor, o sea, cerca de las fuentes. as se tomaron varias medicioens cerca de las neveras, freezers, computador y dems aparatos elctricos encendidos.

Finalmente los datos obtenidos fueron analizados mediante tres herramientas diferentes: por un lado la herramienta Formato Condicional de Excel 2010 cuyo resultado se observa en la Fig. 2 del Anexo I y dos herramientas del programa MatLab: la funcin imagesc y la funcin contourf cuyos resultados pueden verse en las Fig. 3 y Fig. 4 del mismo anexo respectivamente.3. DISCUSINLa primer discusin trat de establecer dentro del grupo qu era lo que se quera medir y si se poda medir. Se concluy que por lo general el ruido es parte de las incertidumbres aleatorias en las mediciones elctricas segn se establece en la norma Icontec GTC 51, pero en este caso era la variable a medir.El principal problema surgi con las incertidumbres del tipo B ya que las magnitudes no superaban los 700mV se medan con la escala de 3000mV y las que no superaban los 500mV se medan con la escala de 500mV, pero en ninguno de los casos se contaba con datos fehacientes sobre la frecuencia de las seales que integraban ese ruido, para lo que se hubiera necesitado un analizador de espectro. A los fines del presente informe, se consider que el principal ruido estara dado por seales de baja frecuencia propias de la instalacin elctrica de 60 Hz y de seales.Tambin se puso en consideracin el efecto de la telefona celular. Los celulares trabajan habitualmente en frecuencias muy altas (dentro del espectro de las microondas) y debe tenerse en cuenta que en el Laboratorio donde se efectuaron las mediciones no hay seal de celular, por lo que los equipos aumentan su potencia en busca de una antena a la que reportarse, por lo que aumentaran las interferencias de alta frecuencia que se sumaran al ruido presente en el ambiente. Asimismo, existe otra banda de interferencia que es la banda del WiFi, a la que generalmente estos aparatos se encuentran conectados y aunque no lo estuvieran, es una seal presente en el ambiente, por lo que debera considerarse su influencia en el nivel de ruido.De cualquier manera, la mejor forma de evitar estas interferencias es mantener los celulares apagados al momento de realizar este tipo de mediciones.Finalmente y en consideracin con la norma GTC 51 que se consult para la expresin y medicin de incertidumbres hay que tener en cuenta lo siguiente: - se solicita evaluar la relacin funcional entre el mensurando respecto de cada argumento y por estar hablando del ruido como seal aleatoria no podramos a priori establecer una relacin funcional.- Segn el punto B.2.15 de la norma, las condiciones de repetibilidad exigen: el mismo procedimiento de medicin, el mismo observador, la misma ubicacin y el mismo instrumento de medicin. Por su parte, el ejercicio prctico y la Teora de Bioinstrumentacin, exige que para obtener resultados ms cercanos a lo real, deben establecerse mediciones con distintos observadores y con distintos instrumentos para perder la subjetividad en la medicin y los posibles errores propios del instrumento. Esto est considerado por la norma como una prctica til cuando se dispone de mucho tiempo y de recursos ilimitados, aunque considera un ejercicio econmicamente impracticable.(F.2.1)4. CONCLUSIONESA travs de la realizacin del presente trabajo, se ha podido establecer las verdaderas dificultades que conlleva obtener una medicin confiable y sobre todo el gran trabajo estadstico que representa adecuar estas mediciones a la normativa vigente. Se ha podido observar que la prctica de la metrologa no consiste solamente en la comprobacin visual el funcionamiento de un equipo o de la observacin de una magnitud, sino que se trata de la aplicacin de un mtodo sistemtico que haga exacta y precisa esa medicin en los procesos de obtencin de datos y magnitudes y sobre todo en los procedimientos de calibracin de equipos.Asimismo, se ha podido caracterizar lo que es el ruido, como afecta las seales de inters biomdico y sobre todo las precauciones que se deben tener en cuenta para evitarlo. Finalmente, se ha podido comparar la magnitud del ruido obtenido con los valores de las seales biolgicas de inters observando que estas ltimas son de amplitud considerablemente menor que el ruido que las afecta, por lo que se debe tener especial cuidado en los procesos previos de acondicionamiento de la seal biomdica.BIBLIOGRAFA Y REFERENCIAS

[1] A. RONCONI, Instrumentos y mediciones, Quilmes, Argentina: Universidad Nacional de Quilmes, 2013. [2] Electrnica Fcil, 2014. [En lnea]. Available: http://www.electronicafacil.net/tutoriales/El-transistor-de-Efecto-de-Campo.php. [ltimo acceso: 20 10 2014].[3] F. CORPORATION, Ruido elctrico y los mecanismos de acoplamiento, 01 2015. [En lnea]. Available: Ruido elctrico y los mecanismos de acoplamiento disponible en: http://www.fluke.com/fluke/ares/soluciones/calidad-potencia/notas-de-aplicacion/ruido-electrico-y-transitorios.htm.[4] ICONTEC, Gua para la expresin de la incertidumbre en las mediciones. (GTC-51), Bogot: ICONTEC, 1997.

ANEXO I (MAPAS DE RUIDO OBTENIDOS)

Fig. 2: Mapa de Ruido obtenido mediante la herramienta formato condicional de Excel 2010 .

ANEXO I (MAPAS DE RUIDO OBTENIDOS)

Fig. 3: Mapa de ruido obtenido mediante la funcin Contourf de MatLab .ANEXO I (MAPAS DE RUIDO OBTENIDOS)

Fig. 4: Mapa de ruido obtenido mediante la funcin IMAGESC de MatLab.